(57)【要約】      （修正有）【課題】高熱伝導性能を維持しながら熱応力で破壊することがない構造を有するヒートシンク付きセラミックス基板を提供する。【解決手段】アルミニウム板材６が窒化アルミニウム板材７の両面に接合されたセラミックス基板２と、アルミニウム製冷却器１とが、セラミックス基板２に相対する側の表面のみに多数の互いに交差する溝４が設けられているアルミニウム板材３を介してろう付け接合されてなるヒートシンク付きセラミック基板。【選択図】図１−１
2007299798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）と、アルミニウム製冷却器（１）とが、セラミックス基板（２）に相対する側の表面に多数の互いに交差する溝（４）が設けられているアルミニウム板材（３）を介して接合されてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項２】
アルミニウム板材（３）のセラミックス基板（２）に相対する側の表面には、互いに直交する多数の溝（４）があることを特徴とする、請求項１に記載のヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項３】
アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）と、アルミニウム製冷却器（１）とが、両面にそれぞれ多数の並列する溝（４）があって、なおかつ一方の面の溝方向が他方の面の溝方向と互いに交差するアルミニウム板材（３）を介して接合されてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項４】
アルミニウム板材（３）の両面にはそれぞれ多数の平行する溝（４）があり、なおかつ一方の面の溝方向が他方の面の溝方向と直交していることを特徴とする、請求項３に記載のヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項５】
アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）と、アルミニウム製冷却器（１）とが、片面に多数の並列する溝（４）が設けられている２枚のアルミニウム板材（３ａ、３ｂ）を介して接合されており、前記２枚のアルミニウム板材（３ａ、３ｂ）の溝方向が互いに交差しなおかつ溝付き面が向かい合うように重ね合わされてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項６】
２枚のアルミニウム板材（３ａ、３ｂ）のそれぞれの片面には多数の平行する溝（４）があり、お互いの溝方向が直交し、かつ溝付き面が向かい合うように重ね合わされていることを特徴とする、請求項５に記載のヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項７】
アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）と、アルミニウム製冷却器（１）とが、セラミックス基板（２）に相対する側の表面に多数のディンプル（５）が設けられているアルミニウム板材（３）を介して接合されてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項８】
ディンプル（５）の形状が略半球状、略円筒状、または略円錐状であることを特徴とする、請求項７に記載のヒートシンク付きセラミック基板。
【請求項９】
セラミックス基板（２）とアルミニウム板材（３）とアルミニウム製冷却器（１）とが大気中・無フラックスろう付け法によって接合されてなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートシンク付きセラミック基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバーター等のパワーモジュールに好適なヒートシンク付きセラミック基板に関し、詳しくはアルミニウム接合セラミックス基板とアルミニウム製冷却器を使ったヒートシンク付きセラミック基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバーター等のパワーモジュールでは、高性能化により素子等の損失による発熱が増加しており、より高い冷却性能が求められている。そのためパワーモジュールの冷却器には、熱伝導率が大きく設計の自由度があるアルミニウム材を素材とするものが使われることが多い。
【０００３】
一方、パワーモジュールの基板には大電流を扱うために高い絶縁性能が求められることから、通常セラミックス基板が使われている。セラミックスは一般に熱伝導率が小さいが、例えば窒化アルミニウムなどは熱伝導率が大きく冷却性能を向上できることから、多く使われている。
【０００４】
セラミックス基板の表面に接合される金属素材としては、アルミニウム冷却器との接合を考えると同じ素材のアルミニウムを使うのが好ましく、通常セラミックス基板とアルミニウム冷却器はハンダを用いて接合される。
【０００５】
このようなヒートシンク付きセラミック基板で最も問題になるのが、ヒートサイクルを受けた場合の接合部のハンダに生じるクラックである。
アルミニウムと、窒化アルミニウムなどセラミックスとの線膨張係数の差は非常に大きく、ヒートサイクルを受けた場合に接合部、特にハンダ部分に大きな熱応力を生じ、そのためにクラックが発生してしまう。
【０００６】
熱応力の軽減だけを考えれば、セラミックスの代わりにアルミニウムの線膨張係数に近い材料を選べばよいが、高熱伝導率と絶縁性能を両立する材料となると、セラミックス、特に窒化アルミニウムに代わる材料は見当たらない。
【０００７】
また、熱応力の軽減のために、セラミックス基板とアルミニウム冷却器を多数の細い柱状の金属で接続する方法も考えられるが、それではアルミニウム冷却器への放熱性能が損なわれる上、非常にコスト高な構造となり、現実的でない。
【０００８】
このような課題に対し、例えば、特許文献１では、両面にアルミニウム融点降下層が形成された熱伝導率の高い純度９９重量％以上のアルミニウム箔を介して、セラミックス基板とヒートシンクを接合する方法が提案されている。特許文献１には、この方法によると、放熱特性を向上させることができるうえ、アルミニウム箔の変形抵抗が小さいために、熱サイクルを付加してもセラミックス基板にクラックが発生することがないと記載されている。
また、特許文献２では、低弾性率であるアルミニウムを主成分とする金属板を、厚み１００μｍ以上４５０μｍ以下として、応力緩衝層として用いることにより、半導体素子を搭載し実使用条件下で繰り返しの温度履歴を受けても、塑性変形を緩和して、接合界面での剥離や、セラミックス基板の割れや、半導体素子の下の半田層にクラック等の異状が発生し難く、しかも熱放散性にすぐれ、安価であるというと記載されている。
【０００９】
しかしながら、確かに、特許文献１のように純度９９重量％以上のアルミニウム箔を用いて変形抵抗を小さくしたり、特許文献２のように厚さを規定したアルミニウム板を用いることで、発生する応力を小さくすることはできるものの、接合部分に発生するひずみは大きいままであるため、セラミックス基板とヒートシンクが反ってしまったり、それらの剛性が強くて反りにくい場合に、箔の周辺部分にひずみが集中して、そこからクラックが入るという問題が残る。
【特許文献１】特開平１０−２７０５９６号公報
【特許文献２】特開２００２−３３４９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、高熱伝導性能を維持しながら熱応力で破壊することがない構造を有するヒートシンク付きセラミックス基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、特定の熱応力緩和構造を採用することで、セラミックスとアルミニウムの線膨張率差に起因する熱応力を緩和し、界面の破壊やはがれをなくすことができうることを見出し、本発明をなすにいたった。
すなわち、本発明は、
＜１＞アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）とアルミニウム製冷却器（１）とが、セラミックス基板（２）に相対する側の表面に多数の互いに交差する溝（４）が設けられているアルミニウム板材（３）を介して接合されてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板、
＜２＞アルミニウム板材（３）のセラミックス基板（２）に相対する側の表面には、互いに直交する多数の溝（４）があることを特徴とする、＜１＞項に記載のヒートシンク付きセラミック基板、
＜３＞アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）とアルミニウム製冷却器（１）とが、両面にそれぞれ多数の並列する溝（４）があって、なおかつ片面の溝方向が反対面の溝方向と互いに交差するようなアルミニウム板材（３）を介して接合されてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板、
＜４＞アルミニウム板材（３）の両面にはそれぞれ多数の平行する溝（４）があり、なおかつ片面の溝方向が反対面の溝方向と直交していることを特徴とする、＜３＞項に記載のヒートシンク付きセラミック基板、
＜５＞アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）とアルミニウム製冷却器（１）とが、片面に多数の並列する溝（４）が設けられている２枚のアルミニウム板材（３ａ、３ｂ）を介して接合されており、前記２枚のアルミニウム板材（３ａ、３ｂ）の溝方向が互いに交差しなおかつ溝付き面が向かい合うように重ね合わされてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板、
＜６＞２枚のアルミニウム板材（３ａ、３ｂ）のそれぞれの片面には多数の平行する溝（４）があり、お互いの溝方向が直交しなおかつ溝付き面が向かい合うように重ね合わされていることを特徴とする、＜５＞項に記載のヒートシンク付きセラミック基板、
＜７＞アルミニウム材（６）が両面に接合されたセラミックス基板（２）と、アルミニウム製冷却器（１）とが、セラミックス基板（２）に相対する側の表面に多数のディンプル（５）が設けられているアルミニウム板材を介して接合されてなることを特徴とするヒートシンク付きセラミック基板、
＜８＞ディンプルの形状が略半球状、略円筒状、または略円錐状であることを特徴とする、＜７＞項に記載のヒートシンク付きセラミック基板、および、
＜９＞セラミックス基板（２）とアルミニウム板材（３）とアルミニウム製冷却器（１）が大気中・無フラックスろう付け法（以下「ＥＢ法」という）によって接合されてなることを特徴とする、＜１＞〜＜８＞のいずれか１項に記載のヒートシンク付きセラミック基板
を提供するものである。
また、ＥＢ法とは、表面の皮材の下から染み出したろう材で接合する方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、窒化アルミニウムなどセラミックスとアルミニウムの線膨張率差に起因する熱応力を、アルミニウム板材の溝やディンプルなどの空間部分の変形によって緩和し、セラミックスと金属の接合部などの界面に発生する熱応力を緩和することができる。そうすることで、界面の破壊やはがれがなくなる。さらに、ＥＢ法で接合することで、セラミックス基板およびアルミニウム板材とあわせてアルミニウム冷却器も一体で接合することができ、さらに冷却器内部のフィンも同時に接合することができる。ＥＢ法では溶融するろう材がわずかであるため、溝やディンプルを埋めてしまう恐れも無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るヒートシンク付きセラミック基板（以下、単に「冷却構造」ともいう）の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１−１は、本発明の第１実施態様の冷却構造の基本的な概要構成を矢印で分解して示す断面図である。
本第１実施態様の冷却構造は、アルミニウム冷却器１とアルミニウム接合セラミックス基板２の間に、溝付きのアルミニウム板材３を配して、これら３部品を重ねて一体にろう付け接合したものである。アルミニウム板材３の溝４は、セラミックス基板と接合する側の面にのみ直交するように設けられている。アルミニウム接合セラミックス基板２は、窒化アルミニウム板７の両面にアルミニウム材６が接合されている。
また、図１−２は、本第１の実施態様におけるアルミニウム板材３の斜視図である。アルミニウム板材３のセラミックス基板２に相対する側の表面には、互いに直交する多数の溝４がある。本第１の実施態様の冷却構造では、高温を伴うヒートサイクルを受けると、アルミニウム製冷却器１とセラミック基板２が異なる膨張率で伸び縮みすることになるが、断面図で見た場合、アルミニウム板材３に設けられた溝４とセラミック基板２とで形成する長方形状の空間が、アルミニウム冷却器１側の下辺がセラミック基板２側の上辺よりも大きく伸び縮みすることにより、前記の空間が上下の辺の長さが異なる台形状に変形することを許す。また、多数の溝４が互いに直交するため、矢印ａの方向にも、矢印ａと直交する矢印ｂの方法にも、前記の長方形状から台形状となる空間の変形を生じることを許す。このため、セラミックス基板２とアルミニウム板材３間の線膨張率差に起因する熱応力を緩和し、接合部分に発生するひずみを減少させる。
【００１４】
図２−１は、本発明の第２実施態様の冷却構造の基本的な概要構成を矢印間で分解して示す断面図である。
本第２実施態様の冷却構造は、アルミニウム冷却器１とアルミニウム接合セラミックス基板２の間に、溝付きのアルミニウム板材３を配して、これら３部品を合わせて一体にろう付け接合したものである。アルミニウム板材３の溝４は、平行する溝が両面それぞれに設けられており、両面の溝方向が直交する格好となっている。アルミニウム接合セラミックス基板２は、窒化アルミニウム板７の両面にアルミニウム材６が接合されている。
また、図２−２は、本第２の実施態様におけるアルミニウム板材３の斜視図である。アルミニウム板材３の両面にはそれぞれ多数の平行する溝４があり、なおかつ片面の溝方向が反対面の溝方向と直交している。断面図で見た場合、本第２の実施態様の冷却構造では、高温を伴うヒートサイクルを被ると、アルミニウム板材３の上面に設けられた溝４とセラミック基板２、並びにアルミニウム板材３の下面に設けられた溝４とアルミニウム冷却器１とで形成する長方形状の空間において、それぞれ上記第１の実施態様と同様に上下の辺の長さが異なる台形状に変形する。また、アルミニウム板材３の上面に設けられた溝４では矢印ａの方向で上記の台形状への変形が起こり、アルミニウム板材３の下面に設けられた溝４では矢印ａの方向と直交する矢印ｂの方向で上記の台形状への変形が起こる。このため、セラミックス基板２とアルミニウム板材３間の線膨張率差に起因する熱応力を緩和し、接合部分に発生するひずみを減少させる。
【００１５】
図３−１は、本発明の第３実施態様の冷却構造の基本的な概要構成を矢印間で分解して示す断面図である。
本第３実施態様の冷却構造は、アルミニウム冷却器１とアルミニウム接合セラミックス基板２の間に、２枚の溝付きのアルミニウム板材３ａ、３ｂを配して、これら４部品を合わせて一体にろう付け接合したものである。
また、図３−２は、本第３の実施態様におけるアルミニウム板材３の分解図（ａ）及び一体化後の斜視図（ｂ）である。図３−２（ａ）に示すように、２枚のアルミニウム板材３ａ、３ｂはいずれも片面のみに平行する溝４が設けられていて、それぞれのアルミニウム板材３ａ、３ｂは、溝４がある面で向かい合わせとなり、なおかつ互いの溝方向が直交するように重ねあわされ、図３−２（ｂ）に示されるように一体化されている。断面図で見た場合、本第３の実施態様の冷却構造では、高温を伴うヒートサイクルを被ると、それぞれの溝４が形成する空間では、上記第１の実施態様と同様の台形状に変形する。また、アルミニウム板３ａに設けられた溝４では、矢印ａ方向に上記の空間の台形状への変形が生じ、アルミニウム板３ｂに設けられた溝４では、矢印ａと直交する矢印ｂ方向に空間の台形状への変形が生じる。このため、セラミックス基板２とアルミニウム板材３間の線膨張率差に起因する熱応力を緩和し、接合部分に発生するひずみを減少させる。
【００１６】
図４−１は、本発明の第４実施形態の冷却構造の基本的な概要構成を矢印間で分解して示す断面図である。
本第４実施態様の冷却構造は、アルミニウム冷却器１とアルミニウム接合セラミックス基板２の間に、ディンプル５付きのアルミニウム板材３を配して、これら３部品を合わせて一体にろう付け接合して組み立てられる。アルミニウム板材のディンプル５は、セラミックス基板が接合する側の面に設けられている。アルミニウム接合セラミックス基板２は、窒化アルミニウム板７の両面にアルミニウム材６が接合されている。
また、図４−２は、本第４の実施態様におけるアルミニウム板材３の斜視図である。アルミニウム板材３のセラミックス基板２に相対する側の表面には、多数のディンプル５が設けられている
【００１７】
図５は図４に示す、第４実施態様におけるアルミニウム板材３のディンプル５の形状の代表的な形状を示す断面図である。図５（ａ）は略半球状のディンプルを、図５（ｂ）は略円筒状のディンプルを、図５（ｃ）は略円錐状のディンプルをそれぞれ示すものである。本第４の実施態様の冷却構造では、高温を伴うヒートサイクルを被ると、例えば、ディンプル５が円柱状の場合、断面で見ると、ディンプル５とが形成する長方形状の空間では、上記第１の実施態様と同様に、台形状に変形する。また、この変形はアルミニウム板材３の接合面においてどの方向に対しても同様に行うことができる。セラミックス基板２とアルミニウム板材３間の線膨張率差に起因する熱応力を緩和し、接合部分に発生するひずみを減少させる。
【００１８】
上記第１〜第４の実施態様において、溝４やディンプル５を成形する加工方法としては、切削やプレス、コイニングなど通常用いられているいかなる方法を用いても構わない。熱応力緩和と放熱に問題が無い範囲内で、できるだけ低コストな方法を採用するのが好ましい。
【００１９】
アルミニウム板材３の厚さや溝４あるいはディンプル５の大きさは、並びに、溝４またはディンプル５の数は、常法により、ヒートサイクルの条件や発熱量に基づき、最適な寸法・形状、並びに、数に適宜設定することができる。溝４やディンプル５の大きさは、小さすぎると熱応力を緩和する効果が小さく、また、はんだやろう材が溝やディンプルを埋めてしまうおそれが有り、一方、大きすぎるとセラミックス基板２から冷却器１への放熱を阻害する。また、アルミニウム板材３の厚さは、薄すぎると熱応力を緩和する効果が小さく、厚すぎるとセラミックス基盤から冷却器への放熱を阻害する。それに限定されるものではないが、例えば、アルミニウム板材３の板厚は１〜２ｍｍが好ましい。なお、溝４の配置は平行あるいは直交させることで最も大きな効果が期待できるが、必ずしもその角度に限定されるものでなく、並列あるいは交差することでも所定の効果を発揮することができる。これら溝４あるいはディンプル５付きアルミニウム板材３を用いれば、ハンダやろう付けなどの接合法によらず、熱応力緩和の効果がある。
【００２０】
また、アルミニウム製冷却器１およびセラミック基板２は、従来、ヒートシンク付きセラミック基板で用いられているアルミニウム製冷却器およびセラミック基板と同様なものを用いることができる。なお、セラミック基板２において、アルミニウム材６が接合される板を形成する材料は、図１〜４に示す、窒化アルミニウムに限定されるものではなく、例えば、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを用いて形成したものであっても良い。
【００２１】
さらに、本発明において、接合法は従来用いられている接合法を適宜用いることができるが、接合法としてＥＢ法を採用すると、溶融するろう材がわずかであるため、溝やディンプルを埋めてしまう恐れが無い。また、コルゲートフィンなどの板厚が薄いフィンを小さいピッチにして接合する場合にもフィンとフィンの間をろう材が埋めてしまう恐れがないため、効率の良い、狭ピッチ薄型フィンの接合なども同時にでき、生産性も良く、好ましい。
なお、ＥＢ法では、接合する相手部材と十分な密着状態を得ることが重要である。そのため、本発明においては、セラミックス基板、アルミニウム板材、冷却器を一体で拘束し、接合部が十分な加圧密着状態になるようにすることが好ましい。本発明の場合ＥＢろう付けするところとしては、セラミックス基板−アルミニウム板材間とアルミニウム板材−冷却器間にＥＢ材を挟みこむか、あるいは、アルミニウム板材自体をＥＢ材とするか、のいずれかの方法で行えばよい。ＥＢ法およびＥＢ材については、例えば、「古河電工時報」第１１５号（平成１７年１月）、４７〜５０頁に詳細に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１−１】本発明の第１実施態様のヒートシンク付きセラミック基板の基本的な概要構成を分解して示す断面図である。
【図１−２】本発明の第１実施態様のヒートシンク付きセラミック基板に用いられるアルミニウム板材の斜視図である。
【図２−１】本発明の第２実施態様のヒートシンク付きセラミック基板の基本的な概要構成を分解して示す断面図である。
【図２−２】本発明の第２実施態様のヒートシンク付きセラミック基板に用いられるアルミニウム板材の斜視図である。
【図３−１】本発明の第３実施態様のヒートシンク付きセラミック基板の基本的な概要構成を分解して示す断面図である。
【図３−２】本発明の第３の実施態様に用いられるアルミニウム板材の分解図（ａ）及び一体化後の斜視図（ｂ）である。
【図４−１】本発明の第４実施態様のヒートシンク付きセラミック基板の基本的な概要構成を分解して示す断面図である。
【図４−２】本発明の第４実施態様のヒートシンク付きセラミック基板に用いられるアルミニウム板材の斜視図である。
【図５】本発明の第４実施態様におけるアルミニウム板材のディンプル形状の代表的な形状を示す断面図であって、（ａ）は略半球状のディンプルを、（ｂ）は略円筒状のディンプルを、（ｃ）は略円錐状のディンプルをそれぞれ示す断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１        アルミニウム冷却器
２        セラミックス基板
３        アルミニウム板材
４        溝
５        ディンプル
６        アルミニウム材
７        窒化アルミニウム板
【図１−１】
2007299798.tif 000003
【図１−２】
2007299798.tif 000004
【図２−１】
2007299798.tif 000005
【図２−２】
2007299798.tif 000006
【図３−１】
2007299798.tif 000007
【図３−２】
2007299798.tif 000008
【図４−１】
2007299798.tif 000009
【図４−２】
2007299798.tif 000010
【図５】
2007299798.tif 000011